Wrapper for Clustal Omega.
[jabaws.git] / binaries / src / clustalo / src / clustal / pair_dist.c
diff --git a/binaries/src/clustalo/src/clustal/pair_dist.c b/binaries/src/clustalo/src/clustal/pair_dist.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..4cfa229
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,425 @@
+/* -*- mode: c; tab-width: 4; c-basic-offset: 4;  indent-tabs-mode: nil -*- */
+
+/*********************************************************************
+ * Clustal Omega - Multiple sequence alignment
+ *
+ * Copyright (C) 2010 University College Dublin
+ *
+ * Clustal-Omega is free software; you can redistribute it and/or
+ * modify it under the terms of the GNU General Public License as
+ * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
+ * License, or (at your option) any later version.
+ *
+ * This file is part of Clustal-Omega.
+ *
+ ********************************************************************/
+
+/*
+ *  RCS $Id: pair_dist.c 242 2011-05-27 14:04:21Z andreas $
+ */
+
+#ifdef HAVE_CONFIG_H
+#include "config.h"
+#endif
+
+#include <stdlib.h>
+#include <ctype.h>
+#include <assert.h>
+#include <time.h>
+
+/* only neededfor iNumberOfThreads */
+#include "clustal-omega.h"
+
+#include "ktuple_pair.h"
+#include "pair_dist.h"
+#include "progress.h"
+#include "util.h"
+
+
+/* Up to rev 173 we had a USE_SYM_KTUPLE switch implemented here. When active
+ * ktuple distances were computed twice for each pair and averaged. Idea was
+ * to avoid assymmetries in the pairwise scores (score(a, b) is often not the
+ * same as score(b, a)). Results on BAliBASE indicate that this is overkill:
+ *
+ * r92_default            core columns: avg-sp=0.800656 avg-tc=0.47711  (of total 218)
+ * r93-mod--norm-ktuple/  core columns: avg-sp=0.800656 avg-tc=0.47711  (of total 218)
+ * r93-mod--sym-ktuple/   core columns: avg-sp=0.801083 avg-tc=0.476544 (of total 217)
+ * r93-mod--rand-ktuple-1 core columns: avg-sp=0.799289 avg-tc=0.468028 (of total 218)
+ * r93-mod--rand-ktuple-2 core columns: avg-sp=0.801654 avg-tc=0.47659  (of total 217)
+ * r93-mod--rand-ktuple-3 core columns: avg-sp=0.800234 avg-tc=0.474908 (of total 218)
+ * r93-mod--rand-ktuple-4 core columns: avg-sp=0.800573 avg-tc=0.476514 (of total 218)
+ * r93-mod--rand-ktuple-5 core columns: avg-sp=0.799679 avg-tc=0.468716 (of total 218)
+ *
+ */
+
+static double
+KimuraCorrection(double frac_id);
+
+static int
+SquidIdPairDist(symmatrix_t *tmat, mseq_t *mseq,
+                int istart, int iend,
+                int jstart, int jend,
+                bool use_KimuraCorrection, progress_t *prProgress,
+                unsigned long int *ulStepNo, unsigned long int ulTotalStepNo);
+
+/* Taken from Muscle's msadistkimura.cpp */
+static int DAYHOFF_PAMS[]={
+  195,   /* 75.0% observed d; 195 PAMs estimated = 195% estimated d */
+  196,   /* 75.1% observed d; 196 PAMs estimated */
+                  197,    198,    199,    200,    200,    201,    202,  203,
+  204,    205,    206,    207,    208,    209,    209,    210,    211,  212,
+  213,    214,    215,    216,    217,    218,    219,    220,    221,  222,
+  223,    224,    226,    227,    228,    229,    230,    231,    232,  233,
+  234,    236,    237,    238,    239,    240,    241,    243,    244,  245,
+  246,    248,    249,    250,    /* 250 PAMs = 80.3% observed d */
+                                  252,    253,    254,    255,    257,  258,
+  260,    261,    262,    264,    265,    267,    268,    270,    271,  273,
+  274,    276,    277,    279,    281,    282,    284,    285,    287,  289,
+  291,    292,    294,    296,    298,    299,    301,    303,    305,  307,
+  309,    311,    313,    315,    317,    319,    321,    323,    325,  328,
+  330,    332,    335,    337,    339,    342,    344,    347,    349,  352,
+  354,    357,    360,    362,    365,    368,    371,    374,    377,  380,
+  383,    386,    389,    393,    396,    399,    403,    407,    410,  414,
+  418,    422,    426,    430,    434,    438,    442,    447,    451,  456,
+  461,    466,    471,    476,    482,    487,    493,    498,    504,  511,
+  517,    524,    531,    538,    545,    553,    560,    569,    577,  586,
+  595,    605,    615,    626,    637,    649,    661,    675,    688,  703,
+  719,    736,    754,    775,    796,    819,    845,    874,    907,  945,
+         /* 92.9% observed; 945 PAMs */
+  988    /* 93.0% observed; 988 PAMs */
+};
+static int DAYHOFF_TABLE_ENTRIES = sizeof(DAYHOFF_PAMS)/sizeof(DAYHOFF_PAMS[0]);
+
+
+
+/**
+ *
+ * @brief Compute Kimura corrected distance.
+ *
+ * Original Muscle documentation following:
+ * """
+ * This is defined to be:
+ *     log_e(1 - p - p*p/5)
+ * where p is the fraction of residues that differ, i.e.:
+ *     p = (1 - fractional_conservation)
+ * This measure is infinite for p = 0.8541 and is considered
+ * unreliable for p >= 0.75 (according to the ClustalW docs).
+ * ClustalW uses a table lookup for values > 0.75. The following table
+ * was copied from the ClustalW file dayhoff.h.
+ * """
+ *
+ * @note copied from Muscle's msadistkimura.cpp:KimuraDist()
+ *
+ * @warning For protein only (uses Dayhoff substitution parameters)
+ *
+ * @param[in] p
+ * distance, e.g. 1.0 - fractional/relative identity
+ *
+ * @return The Kimura corrected distance
+ *
+ */
+double
+KimuraCorrection(double p)
+{
+    int table_index;
+
+    /* Typical case: use Kimura's empirical formula */
+    if (p < 0.75)
+        return -log(1 - p - (p*p)/5);
+
+    /* Per ClustalW, return 10.0 for anything over 93% */
+    if (p > 0.93)
+        return 10.0;
+
+    /* If 0.75 >= p <= 0.93, use table lookup */
+    table_index = (int) ((p - 0.75)*1000 + 0.5);
+    if (table_index < 0 || table_index >= DAYHOFF_TABLE_ENTRIES)
+        Log(&rLog, LOG_FATAL, "Internal error in %s:%s", __FILE__, __FUNCTION__);
+
+    return DAYHOFF_PAMS[table_index] / 100.0;
+}
+/***   end: KimuraCorrection()   ***/
+
+
+
+
+/**
+ * @brief Compute distances between all aligned sequence pairs using
+ * squid's PairwiseIdentity, which is: idents / MIN(len1, len2)
+ *
+ * @param[out] tmat
+ * Where to store the computed distances
+ * @param[in] mseq
+ * The aligned sequences
+ * @param[in] istart
+ * For distances [i][j] i>=istart, i<j
+ * @param[in] iend
+ * For distances [i][j] i<iend, i<j
+ * @param[in] jstart
+ * For distances [i][j] j>=jstart, i<j
+ * @param[in] jend
+ * For distances [i][j] i<j<jend, i<j
+ * @param[in] use_kimura
+ * Use Kimura corrected values (Proteins only)
+ *
+ * @return Non-zero on error
+ *
+ */
+int
+SquidIdPairDist(symmatrix_t *tmat, mseq_t *mseq,
+                int istart, int iend,
+                int jstart, int jend,
+                bool use_kimura, progress_t *prProgress,
+                unsigned long int *ulStepNo, unsigned long int ulTotalStepNo)
+{
+    int i, j; /* aux */
+    /* progress_t *prProgress; */
+    bool bPrintCR = (rLog.iLogLevelEnabled<=LOG_VERBOSE) ? FALSE : TRUE;
+    /* unsigned long int ulStepNo;
+    unsigned long ulTotalStepNo; */
+
+    assert(NULL != tmat);
+    assert(NULL != mseq);
+
+    if (TRUE != mseq->aligned) {
+        Log(&rLog, LOG_ERROR, "Sequences need to be aligned (%s)", __FUNCTION__);
+        return -1;
+    }
+    if (SEQTYPE_PROTEIN != mseq->seqtype && TRUE == use_kimura) {
+        Log(&rLog, LOG_WARN, "Using Kimura distance corretion which includes Dayhoff substitution table lookup for non-protein sequences");
+    }
+
+    NewProgress(&prProgress, LogGetFP(&rLog, LOG_INFO),
+                "Pairwise distance calculation progress", bPrintCR);
+    /* estimation of total number of steps (if istart and jstart are
+     * both 0)
+     */
+    /* ulTotalStepNo = iend*jend - iend*iend/2 + iend/2;
+    ulStepNo = 0; */
+    /*LOG_DEBUG("istart=%d iend=%d jstart=%d jend=%d", istart, iend, jstart, jend);*/
+    for (i=istart; i<iend; ++i) {
+        /* by definition a sequence compared to itself should give a
+           score of 0 */
+        SymMatrixSetValue(tmat, i, i, 0.0);
+#ifdef HAVE_OPENMP
+        #pragma omp critical(squidid)
+#endif
+        {
+            ProgressLog(prProgress, *ulStepNo, ulTotalStepNo, FALSE);
+        }
+
+        for (j=MAX(i+1, jstart); j<jend; ++j) {
+            float dist;
+            dist = 1.0 - PairwiseIdentity(mseq->seq[i], mseq->seq[j]);
+
+
+#ifdef HAVE_OPENMP
+        #pragma omp atomic
+#endif
+            (*ulStepNo)++;
+            /*LOG_DEBUG("%d:%d raw dist = %f", i, j, dist);*/
+            if (use_kimura) {
+                dist = KimuraCorrection(dist);
+                /*LOG_DEBUG("cor dist = %f", dist);*/
+            }
+            SymMatrixSetValue(tmat, i, j, dist);
+#ifdef HAVE_OPENMP
+            #pragma omp critical(squidid)
+#endif
+            {
+                Log(&rLog, LOG_DEBUG, "Aligned distance for sequence pair %d:%d= %lg",
+                     i+1, j+1, dist);
+            }
+        }
+    }
+
+    return 0;
+}
+/***   end: SquidIdPairDist()   ***/
+
+
+
+
+/**
+ * @brief compute or read precomputed distances for given sequences
+ *
+ * @param[out] distmat
+ * Distances will be written to this matrix. will be allocated here as
+ * well. Caller must free with FreeSymMatrix()
+ * @param[in] mseq
+ * Distances will be computed for these sequences
+ * @param[in] pairdist_type
+ * Type of pairwise distance comparison
+ * @param[in] fdist_in
+ * If not NULL, sequences will be written from this file instead of
+ * computing them
+ * @param[in] istart
+ * Compute distances for sequences i:j, i>=istart, i<j.
+ * Usually 0.
+ * @param[in] iend
+ * Compute distances for sequences i:j, i<iend, i<j
+ * Usually mseq->nseqs.
+ * @param[in] jstart
+ * Compute distances for sequences i:j, j>=jstart, i<j
+ * Usually 0.
+ * @param[in] jend
+ * Compute distances for sequences i:j, j<iend, i<j
+ * Usually mseq->nseqs.
+ * @param[in] fdist_out
+ * If not NULL, distances will be written to this files
+ *
+ *
+ */
+int
+PairDistances(symmatrix_t **distmat, mseq_t *mseq, int pairdist_type,
+              int istart, int iend,
+              int jstart, int jend,
+              char *fdist_in, char *fdist_out)
+{
+    int uSeqIndex;
+    unsigned long int ulStepNo = 0, ulTotalStepNo; /* DD: moved from SquidIdPairDist so progress bar works multithreaded */
+    int iChunk, iChunkStart, iChunkEnd;
+    int iChunkStarts[iNumberOfThreads];
+    int iChunkEnds[iNumberOfThreads];
+    progress_t *prProgress = NULL;
+    int iSquidSuccess = 0;
+    bool bPrintCR = (rLog.iLogLevelEnabled<=LOG_VERBOSE) ? FALSE : TRUE;
+
+    assert(NULL!=distmat);
+    assert(NULL!=mseq);
+    assert(istart<iend);
+    assert(jstart<jend);
+
+    if (NewSymMatrix(distmat, iend, jend)!=0) {
+        Log(&rLog, LOG_FATAL, "%s", "Memory allocation for distance matrix failed");
+    }
+
+
+    /* compute pairwise distances or read from file
+     *
+     */
+#if 0
+#include "random-dist.h"
+#else
+    if (NULL != fdist_in) {
+        Log(&rLog, LOG_FATAL, "FIXME: reading of distance matrix from file not implemented");
+
+    } else {
+
+        /* break into chunks, one for each thread
+           matrix is a triangle, not a square
+           hence making even chunk sizes is slightly fiddlier
+           */
+        ulTotalStepNo = iend*jend - iend*iend/2 + iend/2;
+
+        /* FIXME: can get rid of iChunkStart, iChunkEnd now that we're using the arrays */
+        iChunkStart = iend;
+        for(iChunk = 0; iChunk <= iNumberOfThreads; iChunk++)
+        {
+            iChunkEnd = iChunkStart;
+            if(iChunk == iNumberOfThreads - 1)
+                iChunkStart = 0;
+            else
+                iChunkStart = iend - ((double)(iend - istart) * sqrt(((double)iChunk + 1.0)/(double)iNumberOfThreads));
+            iChunkStarts[iChunk] = iChunkStart;
+            iChunkEnds[iChunk] = iChunkEnd;
+        }
+
+        if (PAIRDIST_KTUPLE == pairdist_type) {
+
+            Log(&rLog, LOG_INFO, "Calculating pairwise ktuple-distances...");
+
+            NewProgress(&prProgress, LogGetFP(&rLog, LOG_INFO),
+                        "Ktuple-distance calculation progress", bPrintCR);
+#ifdef HAVE_OPENMP
+            #pragma omp parallel for private(iChunk) schedule(dynamic)
+#endif
+            for(iChunk = 0; iChunk < iNumberOfThreads; iChunk++)
+            {
+                KTuplePairDist((*distmat), mseq, iChunkStarts[iChunk], 
+                    iChunkEnds[iChunk], jstart, jend, NULL, prProgress, 
+                    &ulStepNo, ulTotalStepNo);
+            }
+
+#if 0
+            printf("total ops %d\n", ulStepNo);
+#endif
+            /* old format:
+            KTuplePairDist((*distmat), mseq,
+                istart, iend,
+                jstart, jend, NULL); */
+
+        } else if (PAIRDIST_SQUIDID == pairdist_type) {
+            Log(&rLog, LOG_INFO, "Calculating pairwise aligned identity distances...");
+
+            NewProgress(&prProgress, LogGetFP(&rLog, LOG_INFO),
+                        "Pairwise identity calculation progress", bPrintCR);
+#ifdef HAVE_OPENMP
+            #pragma omp parallel for private(iChunk) schedule(dynamic)
+#endif
+            for(iChunk = 0; iChunk < iNumberOfThreads; iChunk++)
+            {
+                 iSquidSuccess = SquidIdPairDist((*distmat), mseq,
+                                    iChunkStarts[iChunk], iChunkEnds[iChunk],
+                                    jstart, jend, FALSE, prProgress,
+                                    &ulStepNo, ulTotalStepNo);
+            }
+            if(iSquidSuccess != 0)
+                return -1;
+
+        } else if (PAIRDIST_SQUIDID_KIMURA == pairdist_type) {
+            Log(&rLog, LOG_INFO, "Calculating Kimura-corrected pairwise aligned identity distances...");
+            NewProgress(&prProgress, LogGetFP(&rLog, LOG_INFO),
+                        "Pairwise identity calculation progress", bPrintCR);
+#ifdef HAVE_OPENMP
+            #pragma omp parallel for private(iChunk) schedule(dynamic)
+#endif
+            for(iChunk = 0; iChunk < iNumberOfThreads; iChunk++)
+            {
+                iSquidSuccess = SquidIdPairDist((*distmat), mseq,
+                                    iChunkStarts[iChunk], iChunkEnds[iChunk],
+                                    jstart, jend, TRUE, prProgress,
+                                    &ulStepNo, ulTotalStepNo);
+            }
+            if(iSquidSuccess != 0)
+                return -1;
+        } else {
+            Log(&rLog, LOG_FATAL, "INTERNAL ERROR: don't know about pairdist_type %d",
+                  pairdist_type);
+        }
+    }
+#endif /* random/proper distance calculation */
+
+
+    /* optional printing of matrix to file
+     */
+    if (NULL != fdist_out) {
+        /* need a copy of sequence names for printing */
+        char **names;
+        names = (char **)CKMALLOC(mseq->nseqs * sizeof(char*));
+        for (uSeqIndex=0; uSeqIndex<mseq->nseqs; uSeqIndex++) {
+            names[uSeqIndex] = mseq->sqinfo[uSeqIndex].name;
+        }
+
+        SymMatrixPrint((*distmat), names, fdist_out);
+
+        Log(&rLog, LOG_INFO, "Pairwise distance matrix written to %s",
+             fdist_out);
+        CKFREE(names);
+    }
+
+#if 0
+#include "distance-distrib.h" 
+#endif
+
+    if (NULL != prProgress) {
+        ProgressDone(prProgress);
+        FreeProgress(&prProgress);
+    }
+
+    return 0;
+}
+/***   end: PairDistances()   ***/
+
+
+